无创血红蛋白检测装置的结构设计与实现

陆猛 高铮 李莉 夏煦坤 利节 陈国荣

摘 要：血红蛋白浓度一直以来都是人体生命特征中的一个非常重要的参数，但是传统的检测方法都是对人体血液样本进行采集，然后用血红蛋白浓度计进行分析，不仅检测程序复杂还给受测者带来身体上和心理的痛苦。该文针对无创血红检测对光线和温度的特殊要求，考虑到测量的舒适度和准确度，设计并开发了一种无创检测人体血红蛋白浓度的硬件装置。

关键词：血红蛋白 无创 硬件结构

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0113-03

Design and Implementationof Structure on Noninvasive Detection of HGB

Lu Meng Gao Zheng Li Li Xia Xukun Li Jie Cheng Guorong

（College of Electrical and Information Engineering，Chongqing University of Science and Tecnology，Chongqing，401331，China）

Abstract：Hemoglobin concentration has always been a very important parameter of human body feature， but the traditional detection methods are collecting human body blood samples， and then be analyzed with the hemoglobin concentration meter. However the test procedure not only complicated to participants of the physical and psychological pain.，To satisfy the special requirements of light and temperature with noninvasive blood testing measures， and consider the comfort and the accuracy of measurement， this paper design and develop a kind of noninvasive detection of human hemoglobin concentration of hardware devices.

Key Words：Hemoglobin；Noninvasive；Hardware structure

市场上现有的血红蛋白浓度检测方法主要是有创或微创检测，不仅会在人身体上留下伤口，还容易发生伤口感染，且一天不能进行多次测量，无法满足某些疾病须经常检测血红蛋白浓度的需求。例如：肿瘤患者、严重贫血患者，由于病情的特殊性，不能长期进行抽血检验[1]。为了克服这一缺陷，到目前为止，世界上有几家公司宣布能无创检测人体血红蛋白浓度，但是检测方法繁杂，且每台血红蛋白的检测设备的售价接近20万人民币，价格昂贵，维修困难，人们无法承受，不适用于大批量的推广，无法满足人們的需求[2]。因此，便携式血红蛋白无创检测仪具有很高的实用性，该文就介绍了一种能够实现无创检测人体血红蛋白浓度的检测装置。

1 系统结构

系统是依据Lambert-Beer定律，即生物组织中个成分对于光的吸收和散射有着不同的特征，根据光透过人体手指时被吸收的量来计算血红蛋白浓度值[3]。该文设计的装置由红外发射装置、几部分构成，具体系统结构图如图1所示。利用至少3个发光二极管照射受测者手指指定部位，红外接收装置中设置有与发光二极管的个数相同的光敏二极管，且每一个发光二极管一一正对红外接收装置的光敏二极管，红外接收装置的每一个光敏二极管均经一路信号处理电路与AD采样模块连接，该AD采样模块的数字输出端与单片机连接，单片机上还连接有GPRS/GSM模块，GPRS/GSM模块用于向服务器或手机终端传送检测信息。由于血红蛋白和水对红外线波的吸收量的不同，光敏二极管接收到的红外光波有所减少，红外接收装置将信号经信号处理电路传送到单片机，经单片机处理后，得出人体内血红蛋白的浓度，并通过无线传送方式传送到服务器或手机终端（见图1）。

2 硬件构成

2.1 发射光源

该设计中，由于不同波长的光源对人体的穿透能力不同，所以，在LED发射电路中选择了3种波长LED集成光源[4]。结合入射光源波长选择的原则：尽可能的使除血红蛋白外的物质吸收率低，而血蛋白的吸收率高，从而提高信噪比。选用了LED光源如图2所示。

2.2 光电接收器和前置放大电路

光电接收器又名光电二极管，在该设计中，与LED发射光源相对应，将接收到的光信号转换为电流信号，输出的电流信号为微安级，而AD采集的信号大小为0～3 V电压，因此，余姚将电流信号转换为电压信号并进一步放大。为此根据以上新能要求，选择了AD公司的AD820运放放大器置于每个光电接收器所在电路如图3所示。

2.3 参数选择

近红外光的波长范围为700～1400 nm，选用的波长个数越多，得到的结果会越准确，但是系统的分析能力会下降，稳定性降。所以，对于测量波长参数的选择，参考日本Sysrnex的astrim，选择3个波长：660 nm、805 nm、880 nm[5]。

3 结构设计

考虑到该装置多场景的应用，对装置结果进行了精密的设计。该装置材质采用的是PA66聚碳酸酯保证了强度的同时又能保持较轻的质量，两侧的弧度设计充分的考虑到了各类人群手指的不同尺寸都能舒适的放置的同时又确保密不透光。具体结构设计如图4所示[4]。

在该装置中，信号处理电路、AD采样模块7、单片机8与GPRS/GSM模块9均设置在电路安装腔3内。检测口2的端面面积小于电路安装腔3的端面面积，检测口2的口壁与电路安装腔3的腔壁之间的左、右连接面通过凹弧型曲面过渡。而在检测口2的口壁上相对设置有两块长条状的电路安装板，其中一块电路安装板安装一排红外发射装置4，另一块电路安装板安装一排红外接收装置5。最后在检测口2的口壁处相对开设有两个缺口10作为观察口。

4 结语

装置具有体积小，重量轻，应用场景广，无创检测，避免了伤口感染的问题，且在检测过程中，无需化学过程和医疗器具，检测速度快、成本低。意义，该设计的装置优点。能够非常方便卫生的实时检测出人体血红蛋白浓度，具有较高的医疗价值。

参考文献

[1] 赵显峰，荫士安.测定血红蛋白含量的两种方法[J].卫生研究，2003，12（5）：217-218.

[2] 袁洪福，陆婉珍.近红外光谱技术正在掀起一场分析效率革命[J].现代装置，1999（5）：19-24.

[3] 刘庆珍.近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度的研究[D].天津：天津大学，2005.

[4] 曾博.基于分布式近红外多波长传感信息融合的无创血糖监测系统[D].兰州大学，2012.

[5] 李国军.多波长无创测量血红蛋白浓度的研究[D].四川：西南科技大学，2013.